什么是石墨烯和白石墨烯？

石墨烯：

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯優(yōu)異的物理性質(zhì)，包括電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等特性。具體來(lái)說(shuō)，石墨烯具有極高的電子遷移率、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及機(jī)械強(qiáng)度。單層石墨烯的厚度僅為0.335納米，是頭發(fā)直徑的二十萬(wàn)分之一，且?guī)缀跬耆该?，只吸收約2.3%的光。這些特性使得石墨烯在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，如射頻晶體管、超靈敏傳感器、柔性透明導(dǎo)電薄膜、超強(qiáng)和高導(dǎo)復(fù)合材料、高性能鋰離子電池和超級(jí)電容器等。

白石墨烯：

白石墨烯，也被稱為六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride，h-BN），是另一種二維材料。其結(jié)構(gòu)與石墨烯相似，由六邊形網(wǎng)格組成超薄平面，但其中的原子不是碳原子，而是氮原子和硼原子。白石墨烯同樣具有許多優(yōu)異的性能，如高透明度、高化學(xué)穩(wěn)定性、良好的機(jī)械強(qiáng)度以及高熱導(dǎo)率等。然而，與石墨烯不同的是，白石墨烯是絕緣體，不具備導(dǎo)電性。這一特性使得白石墨烯在需要絕緣性能的場(chǎng)合具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

石墨烯和白石墨烯的區(qū)別：

組成元素：石墨烯僅由碳原子組成，而白石墨烯則由氮原子和硼原子組成。

導(dǎo)電性：石墨烯是極佳的導(dǎo)體，而白石墨烯則是絕緣體。

應(yīng)用領(lǐng)域：由于導(dǎo)電性的差異，石墨烯在電子器件、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用；而白石墨烯則因其絕緣性和其他優(yōu)異性能，在需要絕緣性能的場(chǎng)合（如半導(dǎo)體器件的保護(hù)層）以及高溫、高壓等極端環(huán)境下的應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)。

石墨烯的制備方法：

石墨烯的制備方法多種多樣，主要包括以下幾種：

化學(xué)氣相沉積法（CVD）：

原理：在氣態(tài)條件下，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在加熱的固態(tài)基體表面生成固態(tài)物質(zhì)，從而制備石墨烯。

過(guò)程：將碳?xì)浠衔锏群細(xì)怏w通入以鎳或銅為基片的沉積爐中，通過(guò)高溫使含碳?xì)怏w分解為碳原子并沉積在基體表面，形成石墨烯薄膜。再通過(guò)輕微化學(xué)刻蝕等方法將石墨烯薄膜與基體分離。

特點(diǎn)：可制備大面積、高質(zhì)量的石墨烯，但工藝復(fù)雜、成本高，且單晶鎳或銅的價(jià)格昂貴。

溶劑剝離法：

原理：通過(guò)溶劑插入石墨層間并破壞層間的范德華力，實(shí)現(xiàn)逐層剝離，從而制備石墨烯。

過(guò)程：將少量石墨分散在溶劑中，配制成低濃度分散液，然后使用超聲波等方法剝離石墨層。

特點(diǎn)：可制備出優(yōu)質(zhì)石墨烯，且過(guò)程中不會(huì)損壞石墨烯表面，但產(chǎn)率不高，限制了其商業(yè)應(yīng)用。

氧化還原法：

原理：通過(guò)氧化石墨再還原的方式制備石墨烯。

過(guò)程：首先使天然石墨與強(qiáng)酸及強(qiáng)氧化劑反應(yīng)生成氧化石墨，然后經(jīng)超聲分散得到氧化石墨烯，再加入還原劑去除氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)，得到石墨烯。

特點(diǎn)：制備工藝簡(jiǎn)便，是實(shí)驗(yàn)室中常用的方法，但可能引入結(jié)構(gòu)缺陷，影響石墨烯的電學(xué)性能。

微機(jī)械剝離法：

原理：通過(guò)機(jī)械力直接剝離石墨層得到石墨烯。

過(guò)程：使用膠帶等工具從高定向熱裂解石墨中反復(fù)剝離出單層或多層石墨烯。

特點(diǎn)：可制備出高質(zhì)量的石墨烯，但產(chǎn)率低、成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

白石墨烯（六方氮化硼）的制備方法

白石墨烯（六方氮化硼）的制備方法主要包括以下幾種：

機(jī)械剝離法：

原理：通過(guò)外力破壞相鄰hBN層之間的層間相互作用，導(dǎo)致hBN剝落。

過(guò)程：類似于微機(jī)械剝離法，但針對(duì)的是hBN材料。

特點(diǎn)：可制備出高質(zhì)量的白石墨烯，但同樣存在產(chǎn)率低、成本高等問(wèn)題。

液相剝離法：

原理：在液相環(huán)境中，通過(guò)超聲波、攪拌等方法破壞hBN層間的相互作用力，實(shí)現(xiàn)hBN的剝落。

過(guò)程：將hBN粉末分散在溶劑中，通過(guò)超聲波等方法進(jìn)行剝離。

特點(diǎn)：操作相對(duì)簡(jiǎn)單，可制備出大面積的白石墨烯片層，但產(chǎn)率和純度可能受到溶劑選擇、超聲條件等因素的影響。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）：

原理與石墨烯的CVD法類似，但反應(yīng)物和條件有所不同。

過(guò)程：在特定條件下，通過(guò)氣態(tài)前驅(qū)體在基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成hBN薄膜。

特點(diǎn)：可制備出高質(zhì)量、大面積的白石墨烯薄膜，但工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高。

石墨烯應(yīng)用場(chǎng)景：

電子器件：如納機(jī)電系統(tǒng)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、存儲(chǔ)設(shè)備、調(diào)制器、激光器等，利用其高導(dǎo)電性和高遷移率特性。

航空航天：作為熱管理材料，解決高速飛行器、微電子器件等領(lǐng)域的散熱問(wèn)題。

電磁屏蔽：由于其獨(dú)特的電磁性能和力學(xué)性能，成為新一代高屏蔽效能、寬頻的輕質(zhì)電磁屏蔽材料。

柔性電子：用于觸摸屏、柔性顯示屏等，利用其高透光率和柔韌性。

傳感器：應(yīng)用于生物傳感器、DNA傳感器、化學(xué)傳感器、氣體傳感器等，利用其大比表面積和優(yōu)異的導(dǎo)電性。

儲(chǔ)能材料：如超級(jí)電容器，利用其高比表面積和良好導(dǎo)電性。

生物醫(yī)藥：用于基因遞送、生物替代品開(kāi)發(fā)等，利用其卓越的力學(xué)性能和生物相容性。

白石墨烯應(yīng)用場(chǎng)景：

半導(dǎo)體領(lǐng)域：作為固相摻雜源，用于半導(dǎo)體材料的制備和改性。

核能和航天：由于其耐高溫、耐輻射等性能，可用于原子堆結(jié)構(gòu)材料、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組成材料等。

潤(rùn)滑和脫模：作為高溫潤(rùn)滑劑和脫模劑，在金屬加工和模具制造中發(fā)揮作用。

化妝品：利用其高透明度和化學(xué)惰性，可用于某些高端化妝品的配方中。

陶瓷材料：摻入納米級(jí)白石墨烯可以顯著提高陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性和耐熱性。

綜上所述，石墨烯和白石墨烯在結(jié)構(gòu)、組成、特性和應(yīng)用場(chǎng)景上各有特色，分別在現(xiàn)代科技的多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。